| 초록 |
1. 서론 다양한 항생제와 여러 항균요법에도 불구하고, 세균 감염은 여전히 질병 및 사망률 증가의 주요 원인이다. 대부분의 세균(bacteria)은 고체 표면에 부착되면, 접착단백질과 같은 결합물질을 분비하여 고체와 더 이상 분리되지 않는 비가역적 접착을 일으킨다. 이후, 세균은 세포의 DNA, 다당류, 단백질 같은 세포외고분자물질을 분비하여, 세균의 성장 및 클로니(colony) 형성을 야기하고, 결국 펩티도글리칸(peptidoglycan) 등으로 구성되는 미생물 응집체인 바이오필름(biofilm)을 생성한다. 이러한 바이오필름은 현재 임상에서 이용하는 항균물질이 바이오필름에 항균작용이 약해, 일반 항생제로 치료하고 있다. 하지만 이러한 항생제는 바이오필름을 덮고 있는 세포외다당류막(extracellular polysaccharide sheath)의 관통률이 매우 낮으며, 또한 바이오필름 상태의 세균은 부유 상태의 세균에 비해 약 100~1,000배 정도의 항생제 내성이 있어서 새로운 치료물질의 개발이 요구되는데, 적은 투여량으로 높은 항균 활성을 나타내는 항균성 나노물질이 좋은 대안이 될 수 있다. 또한 두 종류 이상의 세균이 바이오필름을 형성하거나 세균이 내성을 가지게 되면, 단백질 번역계나 세포벽 합성, DNA 복제 등의 과정 단계에서 불활성화시켜 항균작용을 하는 항생제는 제 기능을 발휘하지 못하는 반면에, 항균성(antibacterial 또는 antimicrobial) 물질은 정전기적 상호작용을 통해 막을 파괴하거나 세포내 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)을 생산하여서 정상적인 항균작용을 수행할 수 있는 장점이 있다. 이러한 항균성 화합물로는, (1) 은(silver, Ag), 이산화티탄(TiO2), 산화아연(ZnO) 같은 무기항균화합물과 (2) 4차암모늄화합물(quaternary ammonium compound, QAC), 알킬피리디늄(alkyl pyridi-nium), 4차포스포늄(quaternary phosphonium), 그리고 이미다졸(imidazole) 및 그 유도체, 아크릴(acrylic)화합물, 메타크릴(methacrylic)화합물 같은 양이온성(cationic) 유기항균화합물 등이 있다. 이때 무기항균화합물은 ROS를 생성하여, 양이온성 유기항균화합물은 음전하를 가진 세포 표면과 결합한 후 화합물의 소수성(hydrophobic) 즉 친유성(lipophilic) 부분이 세포막을 뚫고 들어가서 세포를 물리적으로 손상시킴으로써, 항균작용을 한다. 또한 4차암모늄화합물의 항균 활성은 소수성인 n-알킬 사슬의 길이가 12~14이면 그람양성(gram-positive)균[그람 염색에서 감청색 또는 보라색으로 염색이 되는 세균]에, 14~16이면 그람음성(gram-negative)균[그람 염색에서 적색 또는 복숭아색으로 염색이 되는 세균]에 대한 살균력이 좋다. 이러한 항균화합물로부터 나노입자 항균물질을 만들려면, (1) 항균화합물을 직접 나노입자로 만들거나(예: 금속나노입자, 유기화합물의 나노미셀), (2) 아니면 기존 나노입자[예: 실리카(silica), 금속나노입자]에 항균화합물을 부착 즉 그래프트(graft)할 수 있다. 본 보고서에서는, 유기항균성폴리머를 실리카 같은 무기나노입자에 그래프트하는 방법과 그 특성 등에 대하여 알아볼 것이다. 2. 나노입자 표면으로의 항균폴리머의 그래프트화 나노입자의 표면개질(surface modification)은 화학적이거나 물리적일 수 있으며, 화학적 개질은 그 지속기간이 반영구적이지만, 물리적 개질은 임시적이라고 할 수 있다. 이러한 나노입자의 화학적 표면개질 중에서, 실리카나 카본블랙(carbon black) 표면으로의 폴리머 그래프트는, 무기화합물의 탁월한 열저항성(heat-resistance)이나 화학적 저항성(chemical resistance)과, 그래프트된 폴리머의 광선택성(photoselectivity)이나 생체적합성(biocompatibility), 항균성을 모두 지니는 유/무기 하이브리드물질(inorganic/organic hybrid material)을 생성할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 보고서에서는 항균폴리머가 그래프트된 나노입자로서 실리카 같은 무기화합물을 고려할 것이다. 2.1. 항균폴리머의 그래프트 반응의 분류 항균폴리머의 나노입자 표면으로의 그래프트 반응은 크게, (1) 폴리머 말단의, 미리 형성된 기능기(preformed, functional group)와 입자 표면의 상대기(complementary functional group) 즉 반응성 말단기(reactive end group) 사이의 공유결합 형성 화학적 반응[그래프팅-투(grafting-to)]과 (2) 폴리머와 입자 표면의 개시제 기능기(initiator functional group) 사이의 공유결합 형성 화학적 반응[그래프팅-프롬(grafting-from)]으로 나눌 수 있다(그림 1 참조). ‘그래프팅-투’ 반응의 주요 장점은, 단순성(simplicity)과 폴리머 기능기를 상세히 특성화할 수 있다는 점이다. ‘그래프팅-투’ 반응 시, 일반적으로, 고분자 용액을 사용할 수 있으며, 농도가 높을수록 그래프트화 밀도가 높은데, 이미 존재하는 그래프트기가 새로운 기의 표면으로의 접근을 방해하여 아주 높은 그래프트화 밀도는 얻을 수 없다는 견해(argued)가 있다. ‘그래프팅-프롬’ 반응은 이를 회피할 수 있다. 기존의 많은 관련 비닐 중합 기술이 이 반응을 사용하였다. ‘그래프팅-프롬’ 반응에서 그래프트기 밀도는 개시제의 밀도에 의해 결정되는데, 개시제의 크기가 작아서 대개 개시제의 밀도는 상대적으로 높은 편이다. 이러한 ‘그래프팅-프롬’ 반응은, 낮은 개시제 효율(initiator efficiency)과 단량체의 활성 중합지점(active polymerization site)으로의 활산 속도의 변동성 때문에 복잡한 양상을 보일 수 있다. 또한 그래프기층(grafted layer)의 높은 국부 농도(local concentration) 때문에, 벌크에서의 중합(bulk polymerization)보다 부반응(side reaction)이 더 중요할 수 있으며, 따라서 ‘그래프팅-투’ 반응보다 사슬 길이 분포(chain length distribution)가 더 넓을 수 있다. ‘그래프팅-프롬’ 반응의 예로서, 원자 이동 라디칼중합반응(atom transfer radical polymerization, ATRP)과 이온중합반응(ionic polym-erization) 등이 있다. 2.2. 폴리St-SO3–P+Bu3R기가 그래프트된 나노실리카(그래프트 반응 예 1) 실리카는 이산화규소(SiO2)로 구성되는 무기화합물로서, 내열성, 내화학성이 우수하며, 항균폴리머를 그래프트한 경우 폴리머의 항균작용과 열에 약한 유기항균폴리머를 보호하는 역할을 모두 기대할 수 있으며, 실리카가 나노 형태로 제작될 경우 항균작용을 위한 세균으로의 침투와 기재 표면 항균코팅제로 도포 등이 가능하다. 이 반응 예에서는, 폴리St-SO3–P+Bu3R기[여기서, St: 스티렌(styrene), Bu: 부틸기, R: 알킬기(여기서는, C14H29)]를 나노실리카에 그래프트하는 반응을 알아볼 것이다. 그래프트기인 폴리St-SO3–P+Bu3R기 같은 알킬포스포늄은 Escherichia coli와 Staphylococcus aureus 세균에 대해 항균성이 매우 강하다고 알려져 있다. ‘폴리St-SO3–P+Bu3R기가 그래프트된 나노실리카’의 합성은 2단계 반응으로 구성되는데, 먼저 나노실리카의 표면에 폴리St-SO3–Na+(폴리스티렌소듐설페이트)를 그래프트하고(Scheme 1), 이후 Na+ 부분을 P+Bu3R기로 치환시키는 것(Scheme 2)이다(그림 2 참조). 이 반응 과정을 자세히 알아보면, 다음과 같다. Scheme 1: 아조기(azo group, –N≡N–)가 미리 도입된 실리카의 열분해나 트리클로로아세틸(trichloroacetyl)기가 도입된 실리카와 Mo(CO) |
